NL8203862A - Zenerdiode. - Google Patents

Description

Zenerdiode.

De uitvinding heeft betrekking op een zenerdiode die zo is gekonstrueerd dat hij inwendig doorslaat en kan worden 5 opgenomen in een halfgeleiderinrichting met' ·een geintegreerde sehakeling.

Een konventionele zenerdiode van dit type en een werkwij ze voor de vervaardiging daarvan zal worden beschreven aan de hand van figuur 1.

10 Zoals is weergegeven in figuur 1(A) worden ver- ontreinigingen van het p-type selektief ingediffundeerd in een gedeelte van een hoofdoppervlak van een silicium (Si) substraat 1 van het n-type, onder vorming van een sterk gedoteerd p+ gebied 2 in het substraat. Daarna worden verontreinigingen van 15 het p-type selektief ingediffundeerd over het gehele oppervlak -f* van het p gebied 2 en over een gedeelte van het hoofdoppervlak van het Si-substraat van het n-type 1 onder vorming van een p-type gebied 3. Dit gebied is zwakker gedoteerd dan het p- gebied 2 en de diffusiediepte is germger dan m het p 20 gebied 2, zoals wordt geillustreerd in figuur 1(B). In figuur 1(c) is een sterk gedoteerd n+ gebied 4 weergegeven met een ge-ringere diffusiediepte dan het gebied 3 van het p-type. Het gebied 4 wordt gevormd door selektief induffunderen van verontreinigingen van het n-type over het gehele oppervlak van 25 bet p gebied 2 en over een gedeelte van het oppervlak van het p-type gebied 3. Daarna wordt, zoals weergegeven in figuur 1(d) een isolerende bekledingslaag 5 aangebracht (afgezet) die ope-ningen heeft waardoor een als anode fungerende elektrode 6 en een als kathode fungerende elektrode 7 worden verbanden met + . I , 30 het p-type gebied 3 en het n gebied 4. Dit geheel vormt een zenerdiode van konventionele opbouw.

Als een dergelijke zenerdiode volgens de stand van de techniek moet worden opgenomen in (een geheel moet vormen met) een IC, moeten het p+ gebied 2, het p-type gebied 3 en het 8203862

V

* . * - 2 - n+ gebied 4 gelijktijdig worden gevormd met respektievelijk •f een p isolatiegebied van de IC, een p-type basisgebied van een + , HPN transistor en een n emittergebied van de NPN transistor.

Het p-type gebied 3 kan dieper zijn dan het p+ gebied 2, maar 5 het is belangrijk dat de dotatiedichtheid van de verontrei-nigingen in die gebieden verschillend is.

De spanning-stroomkarakteristiek tussen de anode en kathode van een dergelijke zenerdiode volgens de stand van de techniek wordt beschreven aan de hand van figuur 1(D) en 10 figunr 2. Figuur 2 geeft een grafiek weer van de spanning- stroomkarakteristiek tussen de anode en kathode van de zenerdiode volgens figuur 1(d) met op de vertikale as uitgezet de stroom die loopt . tussen de anode en de kathode en op de horizontale as de omgekeerde spanning (sperspanning) die wordt 15 aangelegd tussen de anode en kathode..

In figuur 1(D) treedt doorslag tussen de anode en kathode op bij een bepaalde sperspanning, in een PI-junktie f· -J- (J^) tussen het p gebied 2 en het n gebied k bij een sperspanning 71. De doorslag treedt daarna op in een FH-junktie 20 (Jg) tussen het p-type gebied 3 en het n gebied bij een sperspanning (doorslagspanning) die hoger is dan de spanning V\|. Een stroom tlac) die'loopt tussen de anode en de kathode na de doorslag over de PN-junktie (J1) totdat doorslag over 1 diep de PN-junktie (J^) optreedt, loopt door een on- p-type gebied 25 8 dat als een sandwich ligt tussen het Si-substraat van het n-type 1 en het n+ gebied U, welk gebied een veerstand heeft die normaliter varieert van 300-600 Ohm.

Als zo'n zenerdiode wordt opgenomen in (een geheel vormt met) de IC, korrespondeert het p-type gebied 8 met de 30 breedte van de basis van de NPN-transistor en wordt deze breedte bepaald door een stroom-versterkingsfaktor (h^) die nodig is voor de HFN-transistor. De weerstand voor het lopen van de stroom I na doorslag van de zenerdiode wordt bijgevolg afhan-ac kelijk van de stroomversterkingsfaktor h^. Als de spanning 35 tussen de-anode en de kathode de doorslagspanning overschrijdt, 8203862 - 3 - * treedt in de PN-junktie (J^) ook doorslag op en ondervindt de stroom lac een lagere veerstand als hij loopt door het p-type gebied 8 en het deel met lagere veerstand van het p-type.

Zoals is veergegeven in figuur 2 ondervindt de 5 stroom lac daardoor de lage veerstand nadat hij de vaarde heeft bereikt. Bij zenerdioden volgens de stand van de techniek slaat, daar het p-type gebied 3 in mindere mate is gedoteerd met verontreinigingen dan het p gebied 2, de PN-junktie (J^) in het Si-substraat van het n-type gebied 1 alti j d eerder 10 door dan de PN-junktie (J^) vaarvan de uiteinden vrij liggen aan het hoofdoppervlak van het Si-substraat van het n-type 1. Daardoor lijdt de doorslag aan de PN-junktie (J^) minder van invloeden zoals variaties in de grensvlakkondities tussen het hoofdoppervlak van het Si-substraat van het n-type 1 en de 15 laag .-5 .nit SiO^. Het resultaat is dat de zenerdiode meer immuun is voor ruis.

De zenerdiode volgens de stand van de techniek heeft echter het nadeel dat hij niet kan vorden gebruikt als een betrouvbare bron van konstante spanning in het gebied tot 20 lac = I na zijn doorslag bij V . Dit komt omdat de zenerdiode, die is opgenomen in (een geheel vormt met) de IC een verkveer-stand heeft varierend van 300 tot 600 Ohm na de doorslag bij Vy Voorts kan een dergelijke zenerdiode volgens de stand van de techniek' niet vorden gebruikt als een goede energiebron met 25 een konstante spanning en een geringe ruis, omdat een stroom die loopt door een gedeelte van de zenerdiode met een grote veerstand korrespondeert met een werkstroam I die loopt door de IC. Een verkstroom I die loopt door een zenerdiode die is gekonstrueerd als (deel van) een IC is normaliter lager dan 30 1 mA.

De veerstand van de zenerdiode zou kunnen vorden verlaagd door het oppervlak van het aktief gedeelte van de zenerdiode te vergroten. Als een dergelijk oppervlak echter zou vorden vergroot, zou het oppervlak van de totale inrichting 35 vorden vergroot. Dit vormt een ernstig probleem voor een IC

8203862 4 v - Ιί. - vaarvoor een minimaal oppervlak een belangrijk kriterium vormt. Een andere oplossing zou zijn als de werkstroom I voor de IC groter zou zijn dan 1^. Een· poging hiertoe zou echter een groter energi everlies veroorzaken als gevolg van verhitting door de 5 verhoogde stroom die door de weerstand loopt. Een dergelijke oplossing zou daarom· eveneens onbevredigend zijn doordat ze niet voldoet aan de behoefte aan een energie besparende zener-diode.

Gezien de bovengenoemde moeilijkheden, is het 10 een doel van de uitvinding te voorzien in een zenerdiode met een geringe ruis die een verlaagde werkweerstand heeft zonder dat bet oppervlak ervan wordt vergroot, door een van de elektroden op bet balfgeleidersubstraat aan te sluiten.

Een verder doel van de uitvinding is te voorzien 15 in een zenerdiode met een geringe ruis die kan worden gebruikt als een verbeterde bron van konstante spanning.

Deze en andere doelstellingen van de uitvinding vorden bereikt met een zenerdiode omvattende een halfgeleider-substraat van een eerste geleidbaarbeidstype met een hoofd-20 oppervlak, een eerste sterk gedoteerd halfgeleidergebied dat selektief is gevormd in bet boofdoppervlak en van een tweede geleidbaarheidstype is. Een tveede halfgeleidergebied, selektief gevormd in het halfgeleidersubstraat grenzend aan het eerste halfgeleidergebied en in geringere mate gedoteerd dan 25 het laatstgenoemde. Een derde halfgeleidergebied van het eerste geleidbaarheidstype, selektief gevormd in en over het eerste en tveede halfgeleidergebied. Een eerste elektrode verbonden met het derde halfgeleidergebied en een tveede elektrode verbonden met het halfgeleidersubstraat.

30 De uitvinding vordt hierna nader beschreven en toegelicht aan de hand van de figuren.

Figuur 1(A t/m D) geeft doorsneden veer van de achtereenvolgende vervaardigingstrappen van een konventionele zenerdiode.

35 Figuur 2 geeft een grafiek veer van de spanning- 8203862 - 5 - stroomkarakteristiek tussen de anode en kathode van de zener-diode volgens figuur 1.

Figuur 3(A) t/m figuur 3(D) zijn dvarsdoorsneden die de achtereenvolgende trappen illustreren van de vervaardi-5 ging van een zenerdiode volgens de onderhavige uitvinding en

Figuur b geeft een grafiek van de spanning-stroom-karakteristiek tussen de anode en kathode van de zenerdiode volgens de uitvinding.

Er volgt nu een beschrijving van een zenerdiode 10 volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding en van een verkwijze voor het vervaardigen daarvan aan de hand van de figuren 3(A) - 3(D).

Zoals veergegeven in figuur 3(A) vorden verontreinigingen van het p-type selektief ingediffundeerd in een 15 gedeelte van een van de hoofdoppervlakken van een Si-substraat -J· van het n-type 1, onder vorming van een sterk gedoteerd p gebied 2. Het p+ gebied 2 moet bij voorkeur zo sterk mogelijk gedoteerd zijn. Daarna vorden, zoals geillustreerd in figuur 3(B) verontreinigingen van het p-type selektief ingediffundeerd + t 20 over het gehele oppervlak van het p gebied 2 en over een gedeelte van het hoofdoppervlak van het Si-substraat van het n-type 1 onder vorming van een p-type gebied 3 dat in geringere mate is gedoteerd dan het p+ gebied 2. De diffusiediepte van het p-type gebied is kleiner dan die van het p+ gebied 2. Ver-25 volgens vordt, zoals veergegeven in figuur 3(C) een sterk gedoteerd n gebied U dat minder diep is dan het p-type gebied 3 gevormd door indif funder eh van verontreinigingen van het n-type over het gehele oppervlak van het p+ gebied 2 en over een gedeelte van het oppervlak van het p-type gebied 3. Daarna 30 vordt een isolerende bekledingslaag 5 aangebracht (afgezet) en vordt een als anode fungerende elektrode 6 en een als kathode fungerende elektrode 7 respektievelijk verbonden met het Si-substraat van het n-type 1 en met het n Si-gebied b. Dit zijn de vervaardigingstrappen voor de zenerdiode volgens de onder-35 havige uitvinding.

8203862 - 6 -

De verking van de zo opgebouwde zenerdiode zal nu worden beschreven aan de hand van figuur 3(D) en van figuur U. In figuur 3(D) wordt een spanning aangelegd over de zenerdiode zodat de als anode fungerende elektrode 6 negatief wordt 5 en de als kathode, fungerende elektrode 7 positief en zo dat de PN-junktie (J^) tussen het p gebied 2 en het Si-substraat van het n-type 1 een voorspanning krijgt in de' voorwaartse richting. Zoals wordt geillustreerd door de karakteristieke kromme A in figuur U treedt doorslag (aangegeven door V^) op 10 bij een doorslagspanning (V^) over een FN-junktie (J^) die een voorspanning in de sperrichting heeft plus een ingebouvde potentiaal (die ca 0,6 V bedraagt) over de PN-junktie (J^)· Bijgevolg loopt er een stroom (lac) tussen de anode en de kathode door het Si-substraat van het n-type 1. Het Si-substraat 15 van het n-type 1 heeft een groot oppervlak en een veel kleinere weerstand dan een ondiep p-type gebied 8. De weerstand is van de orde van 10 Ohm, een waarde die ongeveer 1 orde van grootte kleiner is dan de weerstand van het p-type gebied 8. Dit maakt het mogelijk dat de stroom na de doorslag sterk 20 toeneemt. De zenerdiode kan zo worden gebruikt als een betrouw- bare energiebron met een konstante spanning.

De zenerdiode volgens de geillustreerde uitvoerings-vorm heeft een NPN-opbouw die dezelfde is als die voor BV^q metingen. Daardoor zou, als het p-type gebied 2 in betrekkelijk 25 liehte mate zou zijn gedoteerd met verontreinigingen, gelei- dingsmodulatie plaatsvinden in het p-type gebied 2, resulte-rend in een negatieve weerstand. Dit wordt weergegeven door kromme B in figuur b. Bij de zenerdiode volgens de onderhavige uitvinding is het p+ gebied 2 echter in voldoende sterke mate 30 gedoteerd, zodat geleidingsmodulatie niet zal optreden of slechts in een zodanige mate dat er geen neiging bestaat tot het ontwikkelen van een wezenlijke negatieve weerstand. De anode-kathodekarakteristiek van de zenerdiode volgens de uitvinding wordt dan ook aangegeven door de kromme A. De zener-35 diode is ook gunstig omdat de-stroom lac niet loopt door het 8203862 - 7 - r . * oncLiep p-type gebied 8, vaardoor deze niet afhankelijk is van de stroomversterkingsfaktor h^ van de NPN transistor in de IC. Bijgevolg kan de zenerdiode vorden gebruikt als een sta-biele en betrouwbare bron van konstante spanning.

5 Bij de uitvoering volgens de onderhavige uitvinding zoals hiervoor beschreven is een van de elektroden gekoppeld met het halfgeleidersubstraat en kan de resulterende zenerdiode vorden gebruikt als een betere energiebron met een konstante spanning en met een kleine werkweerstand en zonder 10 negatieve veerstand. De:;zenerdiode volgens de uitvinding kan warden vervaardigd door toepassing van de konventionele ver-vaardigingstechnieken met de konventionele vervaardigings-trappen zonder dab enige speciale bewerkingstrap nodig is.

Een zenerdiode met de hiervoor beschreven opbouw 15 is even effektief als inplaats van het n-type gebied een p-type gebied aanwezig en als de p-type gebieden zijn vervangen door n-type gebieden.

20 8203862

Claims (6)

1. Zenerdiode gekenmerkt door een halfgeleider-substraat van een eerste geleidbaarheidstype. met een hoofd-oppervlak, een eerste sterk gedoteerd halfgeleidergebied van een tweede geleidbaarheidstype, gevormd in dat hoofdoppervlak, 5 een tweede halfgeleidergebied, selektief gevormd in het half-geleidersubstraat grenzend aan het eerstgenoemde halfgeleidergebied en in geringere mate gedoteerd dan dat eerste halfgeleidergebied, een derde halfgeleidergebied van het eerste geleidbaarheidstype, selektief gevormd in en over het eerste 10 en tweede halfgeleidergebied, een eerste elektrode verbonden met het derde halfgeleidergebied en een tweede elektrode verbonden het halfgeleidersubstraat.

2. Zenerdiode volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het tweede halfgeleidergebied zich uitstrekt over het 15 hoofdoppervlak zodanig dat het het eerste halfgeleidergebied overdekt en zich daarover uitstrekt, maar minder diep is dan dat eerste halfgeleidergebied.

3. Zenerdiode volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het derde halfgeleidergebied zich uitstrekt over 20 het genoemde hoofdoppervlak zodanig dat het het eerste halfgeleidergebied bedekt en zich uitstrekt tot voorbij dat eerste halfgeleidergebied maar minder diep is dan het eerste en tweede halfgeleidergebied. ij·. Zenerdiode volgens conclusie 3 met het kenmerk. 25 dat het tweede halfgeleidergebied zich uitstrekt over het hoofdoppervlak tot voorbij (de grenzen van) het derde halfgeleidergebied.

5. Zenerdiode volgens conclusie 1-ij·, met het kenmerk, dat het substraat van een eerste geleidbaarheidtype een sub- 30 straat is uit materiaal van het n-type.

6. Zeneriode volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat een isolerende bekleding aanwezig is over het hoofdoppervlak met openingen voor de elektroden. 8203862 1' * - 9 -

7. Zenerdiode volgens een der voorgaande conclu-sies met het henmerk, dat het eerste en tweede hal'fgeleiderge-bied van hetzelfde geleidbaarheidstype zijn. 5 8203862